日照计校准规范-编制说明

1、日照计校准规范编制说明一、任务来源经全国气象专用计量器具计量技术委员会向原国家质量监督检验检疫总局申报，国家质量监督检验检疫总局于2014 年通过审定并批准立项，由国家气象计量站、成都信息工程大学、江苏省无线电科学研究所有限公司共同编制本规范。日照计校准规范 （以下简称本规范）归口于全国气象专用计量器具计量技术委员会。二、编制本规范的目的和意义日照时数是地面气象观测的重要项目，它表示在一给定时间，太阳直接辐照度达到或超过120 W/m 2 的那段时间的总和，日照时数广泛用于气象气候、生态保护、 环境治理、 农业、林业、旅游、太阳能利用和建筑节能等领域。日照计是用于测量日照时数的仪器，光电式数字

2、日照计是基于光电传感器，利用特殊的全分天空遮光罩分别测量总辐射、散射辐射，进而计算出直接辐射，判断并累计测量日照时数的自动化仪器。与传统的乔唐氏日照计和聚焦式日照计相比，光电式数字日照计具有自动化程度高、反应速度快、测量精度高、无机械运转部件、无人工干预、维护方便等优势，已日益广泛应用于日照观测业务中，迫切需要制定相应计量校准规范保证日照观测量值的准确、可靠与统一。三、编制依据本规范依据JJF 1071 2010 国家计量校准规范编写规则编写，规范中的通用计量术语符合JJF 1001 2011 通用计量术语及定义，附录中给出的测量不确定度评定示例依据JJF1059.1 2012测量不确定度评定

3、与表示进行，仪器的结构特性参考了GB/T 33702 2017光电式日照传感器，校准方法和相关指标参考了世界气象组织WMONo.1227 2018观测仪器和 方 法 委 员 会 第 十 七 次 届 会 最 终 节 略 报 告 （ CommissionforInstrumentsand MethodsofObservation Abridged Final Report of the Seventeenth Session）和 WMO No.8 2014气象仪器和观测方法指南（Guide to Meteorological Instrument and Method of Observation

4、），以大量的试验数据和长期以来对光电式数字日照计的计量测试经验为基础，通过广泛调研，本着完整性、统一性、科学性、开放性和实用性为基本原则进行编制。四、任务分工1本规范主要起草人包括：崇伟、南雪景、 边泽强、丁蕾、 李松奎、杨伟、黄鹏良、冯慧、张宇、吴猛，其分工如下：姓名单位职称边泽强高级工程师丁蕾国家气象计量站高级工程师崇伟工程师南雪景高级工程师杨云正高级工程师马尚昌成都信息工程大教授学孙立新江苏省无线电科正高级工程师学研究所有限公杨科三司工程师分工负责规范总体编写， 提出规范结构、 主要内容，完成初稿、 编制说明、 征求意见稿的编写工作负责相关技术指标的试验和分析进行相关试验，协调工作组成员

5、工作负责收集、 整理相关资料文献， 参与规范主要内容起草， 对规范编写提供技术支持， 修改初稿和征求意见稿参与规范主要内容起草， 对规范编写提供技术支持， 修改初稿和征求意见稿负， 参与规范起草过程中的讨论， 对规范结构和内容提出意见五、主要编制过程编制的主要工作过程如下：（ 1）成立起草组、召开启动部署会、任务分工、制定工作计划2015 年 1-3 月，召开了规范编制工作部署会，成立了编写组，明确了编写组人员分工任务，确定了规范编制编写原则和总体思路，制定工作进度计划。（ 2）组织调研、研讨咨询、确定技术路线2015 年 4 月 -10 月，完成规范编写的前期准备工作，研究学习国内外相关规范

6、、标准、指南等文件，调查国内外光电日照计技术现状，详细研讨目前光电日照计技术参数，广泛征求各方意见，初步确定本规范具体技术参数、校准方法思路和内容。（ 3）技术参数的试验、分析和验证，编写初稿2015 年 11 月 -2017 年 10 月，编写组根据前期调研的情况，针对我国气象行业使用的光电式数字日照计技术特点， 结合世界气象组织CIMO 指南 ，以及计量站长期以来对光电日照计的校准经验，开展了大量针对性的实验、研究和分析，拟采取室内和室外两种方式对光电式数字日照计的阈值进行校准，并利用所提的校准方法对相关日照计进行校准验证试验，完成了初稿的编写和完善。（ 4）不确定度评定内容编写2017

7、年 11 月 -2018 年 10 月，根据JJF 1059.1 2012 测量不确定度评定与表示原则，对光2电式数字日照计校准规范中不确定度内容进行了分析研究，阈值校准进行不确定度分析和评定，并编写了相关内容。（ 6）完成征求意见稿2018 年 11 月 -2019 年 11 月，整理汇总光电式数字日照计校准规范初稿和不确定度评定文档，分析相关数据，完成了征求意见稿编写。六、编制内容的说明（1）范围本规范适用于光电式数字日照计的校准，目前光电式日照计的生产厂家主要有荷兰Kipp&Zonen公司、华云升达（北京）气象科技有限责任公司、中环天仪（天津）气象仪器有限公司、江苏省无线电科学研

8、究所有限公司等。目前主要的光电式日照计见下表1。表 1光电式日照计调研情况型号生产商国别仪器分类感应元件输出信号计量特性CSD3Kipp & Zonen荷兰模拟式光电管日照时数，阈值、日直接辐射照时数DFC2华云升达（北京）气象科中国数字式光电管日照时数，阈值、日技有限责任公司直接辐射照时数DFC3中环天仪（天津）气象仪中国数字式光电管日照时数，阈值、日器有限公司直接辐射照时数DFC1江苏省无线电科学研究所中国数字式光电管日照时数，阈值、日有限公司直接辐射照时数（ 2 ） 引用文件列出了规范编写过程中使用到的主要引用文件。（ 3 ） 术语和计量单位给出了日照和日照时数的定义和对应计量单

9、位。（ 4） 概述对光电式数字日照计的结构组成和测量原理进行了简要说明。日照计由光电感应器件、遮光组件、信号输出端和结构部件等组成，它通过采集软件实现日照时数的测量与显示。日照计共有3 个光电感应器件， 其中一个完全暴露， 用于测量总辐射， 另外两个由于遮光组件特殊的全分天空方式，不同时暴露于阳光下，用于测量散射辐射，利用总辐射和散射辐射计算出直接辐射，累计记录直接辐射达到或超过阈值120 W/m 2 的时间，进行日照时数的测量。准确测量阈值120 W/m 2，判断直接辐射达到或超过阈值是日照计测量准确的关键计量指标。（ 5 ）计量特性3测量直接辐射达到或超过阈值120 W/m 2 是日照时数

10、测量准确的关键技术指标，关系到日照时数测量的准确度，因此，将阈值、日照时数定为日照计的计量特性。（ 6 ）校准条件1）校准环境方面， 由于光电式数字日照计校准分为室外校准和室内校准两种方式，考虑到标准器、配套设备和被校仪器的使用性能，对室外室内校准条件提出了具体要求。室外校准环境条件主要聚焦于天气环境和场地障碍物方面，天气环境要求日累计日照时数不少于3h，控制天气至少是多云以上，环境温度介于（5 35），相对湿度小于或等于80%，风速小于或等于5m/s；场地障碍物方面要求四周空旷，仪器周围应无障碍物，特别是在日出至日落方位角范围内无障碍物，这样能够保证日照计校准受天气和场地环境影响忽略不计。室

11、内校准时采用日照计室内测试设备，因此不受天气环境影响，只需要对环境温湿度进行要求，即环境温度介于（1525），相对湿度小于或等于 80%。2）计量标准器与配套设备方面，采用一级直接辐射表作为标准器，原因在于， 根据 WMO CIMO指南的建议，日照计的校准应选用直接辐射表作为标准器，考虑到计量标准的最大允许误差的绝对值（或测量不确定度）应不大于被校仪器最大允许误差的1/3 ，选用 GB/T 37468-2019 直接辐射表中规定的一级直接辐射表作为标准器，要求其测量不确定度为1%。配套设备包括数字多用表、日照计室内测试设备和自动太阳跟踪器。数字多用表主要用于测量模拟式标准器直接辐射表的电压信号

12、和日照计的电压电平，如果直接辐射表是数字式的，则无需使用数字多用表。由于模拟输出的直接辐射表信号为毫伏级，为此，分辨力：100 mV量程： 0.1V； 10 V 量程： 10 V。最大允许误差：100 mV量程：±（50× 10-6 ×读数 +35× 10-6 ×量程）；10 V 量程：±（ 30× 10-6 ×读数 +5× 10-6 ×量程）。日照计室内测试装置用于在实验室内模拟稳定的辐照度为 120 W/m2 的环境， 该装置由积分球、 准直光源、 散射光源、 辐射监控设备和被校仪器安装平台

13、构成， 模拟太阳辐照度范围 （ 50-300）W/m 2，能够通过调节光源强度， 模拟出稳定的 120 W/m 2阈值环境， 光源稳定性± 1% /h，均匀性± 3%（ 150mm 内）。自动太阳跟踪器在室外校准时与一级直接辐射表配套使用，使直接辐射表对准太阳，输出阈值标准值，设备跟踪误差：1.5°（太阳直接辐照度小于120 W/m 2）； 0.2°（太阳直接辐照度大于等于120 W/m2 ）；捕获角 5°；捕获速度 0.5 °。/s（ 7 ）校准项目及方法1）校准项目包括外观检查、阈值误差、 日照时数， 其中外观检查是以目测及手动对

14、日照计的外观和结构进行检查，要求铭牌和标记应完整、清晰、醒目，记录被校仪器名称、型号、出厂编号、制造厂家等。日照计表面应完好，无明显变形和机械损伤。2）阈值误差是参考世界气象组织CIMO指南，以及国家气象计量站长期以来从事直接辐射4表、总辐射表检定校准和日照计性能测试经验编写的，方法分为室外校准和室内校准两种方式，包括校准程序和数据处理，涉及标准器和被校设备的连接，通信，采样间隔、数据质控和处理等方面。室外校准方法具体如下，按下列步骤进行：a) 将直接辐射表安装在自动太阳跟踪器上，被校日照计安置在室外平台上，两者距离不超过10 m 。b) 若直接辐射表为模拟输出， 则将其与数字多用表连接， 采

15、集电压信号并计算直接辐照度值；若直接辐射表为数字输出，则通过串口将其与计算机连接，采集直接辐照度值。c)设置直接辐射表采样间隔与被校日照计采样间隔一致，且时间间隔不大于10 s，同步、连续采集直接辐射表与被校日照计输出。测量一般在日出后或日落前的较短时间内进行，直接辐射表每组测量输出介于（ 120± 8） W m -2 范围内的数据量不少于 5 个时测量有效， 有效测量组数不少于2 组，记录在附录A 表中。测量期间禁止人员靠近测量场地，以免遮蔽或反射日光对测量结果造成影响。计算直接辐射表每组介于（ 120± 8）Wm -2 范围内的直接辐照度的平均值作为每组测量的阈值参考值

16、， 读取对应时间段内被校日照计的直接辐照度并算得平均值。按式（ 1）计算被校日照计每组阈值误差Edi ：Edi Edi -Esi （ i=1,2, ）（ 1）式中：Ed i 被校日照计第 i 个组阈值测量误差，单位为瓦每平方米（2W/m）；Edi 被校日照计第 i 个组测量的阈值平均值，单位为瓦每平方米（2W/m）；Esi 直接辐射表第 i 个组测量的阈值参考值，单位为瓦每平方米（2W/m）。室内校准方法具体如下，按下列步骤进行：a) 打开日照计室内测试装置直接辐射和散射辐射光源；b) 将直接辐射表安装在测试装置工作台上，保证直接辐射表窗口对准入射光线，调节光源，使直接辐射表输出辐照度为（12

17、0± 8） Wm -2 ，稳定 0.5 h 后，以被校日照计相同的采样间隔，读取直接辐射表输出辐照度10 次，并计算直接辐照度算术平均值Es1 ；c) 取下直接辐射表，定义光线照射方向为室外正东方向，将被校日照计南北向安装在工作台5上，调节被校日照计垂直于工作台面，稳定2min 后，以不大于10 s 的采样间隔，读取被校日照计阈值 10 次，计算阈值算术平均值为Ed1 ；工作台水平旋转180°，再次进行测量，采样间隔和测量次数同上，计算阈值算术平均值为Ed2 ；d) 取下被校日照计， 按步骤（ 2）安装上直接辐射表， 记录直接辐射表输出值， 再次计算直接辐照度算术平均值为

18、Es2 。将直接辐射表前后两次辐照度测量值的算术平均值作为阈值参考值Es ，按式（ 2）计算：Es1Es2(2)Es2式中：Es 阈值参考值，单位为瓦每平方米（W m-2 ）；Es1 直接辐射表第一次测量值的算术平均值，单位为瓦每平方米（W m-2）；Es2 直接辐射表第二次测量值的算术平均值，单位为瓦每平方米（W m -2 ）按式（ 3）计算被校日照计各校准点上的日照阈值测量误差Edi ：EdiEdi -Es （ i=1,2 ）(3)式中：Ed i 被校日照计第 i 个校准点时的阈值测量误差，单位为瓦每平方米（W m -2 ）；Edi 被校日照计第 i个校准点时测量的阈值平均值，单位为瓦每平方米（W m-2 ）。3）日照时数日累计误差参照WMO-NO.1227 2018技术报告，按照日累计误差的不同分为三个等级，具体测试方法如下：日照时数校准在室外进行，校准时间至少包含3个白天。校准程序按下列步骤进行：a) 将直接辐射表安装在自动太阳跟踪器上，被校日照计安置在室外平台上， 两者距离不超过 10m。b) 直接辐射表的采样间隔须与被校日照计采样间隔保持一致，若直接辐射表为模拟输出，则将其与数字多用表连接，采集电压信号并计算直接辐照度值；若直接辐射表为数字输出，则通过串口将其与计算机连接，采集直接辐照度值。c) 被校日照计与计算机连接，采样时间与直接辐射表同步，采样间隔不大于10